Folgen der LG

[ares]

Hallo Leute,
ich hab da eine Frage zum Verständnis. Wenn diese Eurer Meinung nach mehr mit Natur-Philosophie oder gar Phantasie zu tun hat, seht es mir nach:
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass bei zunehmender Geschwindigkeit die Zeit verlangsamt und der Raum verkürzt werden. Kann ich dann davon ausgehen, dass bei LG der Raum aus der Sicht dessen, der oder das sich mit LG bewegt, auf einen eindimensionalen Faden schrumpft und die Zeit, naja, stehengeblieben ist bzw. bei der Geschwindigkeit nicht mehr existiert? Ich weiß, das Materie sich nicht so schnell bewegen kann. Aber aus Sicht der Photonen scheint dann ja keine Eigen-Bewegung eines Photons stattzufinden, da der Raum in seiner Bewegungsrichtung nur eindimensional ist und aus Sicht eines Photons alle anderen Photonen nur nach rechts oder links davonfliegen können? Wieviel Dimensionen hat den nun ein einzelnes Photon? Eine oder gar keine? Mit Photonen meine ich natürlich alle Teilchen des elektromagnetischen Spektrums oder eben alles, was sich mit LG bewegt (aus unserer Sicht). Wenn das so ist, habe ich leichte Schwierigkeiten, mir ein Photon in Bewegung und gleichzeitig in Ruhe vorzustellen (ohne in einem Paradox zu landen), da ja aus der Sicht eines Photons kein Raum da ist, in welchem sich ein einzelnes Photon oder ein Strahl bewegen soll, welches sich (wieder aus unserer Sicht) in eine Richtung bewegt .
Wenn das so ist, wie soll ich mir dann den Urknall vorstellen? Die gängigen Beschreibungen sind offensichtlich in der Form, wie er beschrieben ist, subjektiv, nur aus unserer Wahrnehmung. Wie könnte der Urknall dann von "außen" dargestellt werden?
Und in dem Zusammenhang: Wie würde ein mehrdimensionales Universum beschrieben werden können, wenn wir, rein mathematisch, unsere 4-dimensionale Sicht auf eine Raum- oder zwei Raum-Zeit-Dimensionen reduzieren? Ich habe von dieser Art Mathematik keine Ahnung.
Und dann ist da noch das Higgs-Feld. In meiner laienhaften Vorstellung ist das Higgs-Feld eine Art Bremse für sich lichtschnell bewegende was-auch-immer und durch die Bremse ist das Feld entstanden, das wir in Form der Elementartelchen, bzw. der denen zugrunde liegenden Quarks, Strings, Loops, Quantenschaum wahrnehmen. Wenn das Higgs-Feld nach dem Urknall entstanden ist, stellt sich mir wieder die Frage nach der Natur des Urknalls. Wenn es mit dem Urknall entstanden ist, wie wurde das Feld konfiguriert, da das Higgs-Feld in dem Falle die maßgebende Kraft für die Expansion des Raumes darstellt? Religiöse Betrachtungen lasse ich mal außen vor.
Ich bin echt neugierig und gespannt auf Eure Antworten oder sonstige Reaktionen.
Joachim

[belgariath]

Hallo Joachim und willkommen hier im Forum. Deine Fragen sind interessant, aber auch weitreichend. Deswegen versuche ich erstmal den ersten Teil zu klären.

[...]
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass bei zunehmender Geschwindigkeit die Zeit verlangsamt und der Raum verkürzt werden. Kann ich dann davon ausgehen, dass bei LG der Raum aus der Sicht dessen, der oder das sich mit LG bewegt, auf einen eindimensionalen Faden schrumpft und die Zeit, naja, stehengeblieben ist bzw. bei der Geschwindigkeit nicht mehr existiert?

Ja genau: Wer sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt, dessen Eigenzeit vergeht langsamer als die Zeit des umgebenden Bezugssystems (des Universums). Und gleichzeitig findet, wie du sagst, die Längenkontraktion statt, das heißt der umgebende Raum erscheint demjenigen, der sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, verkürzt.
Ich würde sagen: Bei LG kontrahiert der 3D-Raum aus der Sicht dessen, der oder das sich mit LG bewegt, auf einen quasi-2D-Raum, denn die Koordinaten senkrecht zur Bewegungsrichtung bleiben ja unberührt. Und: Ja, die Eigenzeit bleibt dann stehen, das heißt aus Sicht dessen, der oder das sich mit LG bewegt, vergeht die Zeit außerhalb unendlich schnell.

Ich weiß, das Materie sich nicht so schnell bewegen kann. Aber aus Sicht der Photonen scheint dann ja keine Eigen-Bewegung eines Photons stattzufinden, da der Raum in seiner Bewegungsrichtung nur eindimensional ist und aus Sicht eines Photons alle anderen Photonen nur nach rechts oder links davonfliegen können?

Aus Sicht des Photons bewegt es sich nur um eine unendlich kleine Distanz fort (da der Raum in seiner Bewegungsrichtung nur quasi-1D ist), aber die Zeit die es dafür benötigt ist auch unendlich klein, sodass wenn das Photon seine eigene Geschwindigkeit messen würde, es den Wert der LG erhält.

Wieviel Dimensionen hat den nun ein einzelnes Photon? Eine oder gar keine? Mit Photonen meine ich natürlich alle Teilchen des elektromagnetischen Spektrums oder eben alles, was sich mit LG bewegt (aus unserer Sicht). Wenn das so ist, habe ich leichte Schwierigkeiten, mir ein Photon in Bewegung und gleichzeitig in Ruhe vorzustellen (ohne in einem Paradox zu landen), da ja aus der Sicht eines Photons kein Raum da ist, in welchem sich ein einzelnes Photon oder ein Strahl bewegen soll, welches sich (wieder aus unserer Sicht) in eine Richtung bewegt .
[...]

Ich würde sagen man muss sich kein in Ruhe befindliches Photon vorstellen, denn alle Photonen bewegen sich mit LG fort, und zwar unabhängig vom verwendeten Bezugssystem. Photonen haben ja eine endliche Masse. Würden sie sich dann mit Unterlichtgeschwindigkeit fortbewegen, wäre ihre Masse unendlich mal kleiner, d.h. sie wären nicht (mehr) existent.
Dem Photon eine Ausdehnung zuzuschreiben ist eine gefährliche Sache, aber macht auch Sinn. Aber das ist nicht so wie bei Tennisbällen oder Wassertropfen oder Atomkernen. Die Photonen haben ja auch ganz eindeutig Welleneigenschaften, d.h. ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist in einem gewissen Bereich verschmiert. Man könnte vielleicht die Einstein-de-Broglie-Beziehung verwenden oder die Compton-Wellenlänge, um dem Photon eine Ausdehnung zuzuweisen.

[ares]

Hallo belgariath,
danke erst Mal für die erste Reaktion. Manche Aussagen von Dir verstehe ich nicht ganz :
1. Ich bin davon ausgegangen, dass Photonen keine Masse haben.
2. Dass die senkrechte Ausdehnung des Raumes bleibt, ist klar,. Da aber alle anderen Richtungen auf null verkürzt werden, was bedeutet dann ein quasi-2D-Raum, statt einem eindimensionalem]?
3. Wie kann ein Photon seine Geschwindigkeit messen, wenn die Strecke und die Zeit null ist. Dabei fallen mir auch die Fragen ein, ob es noch einen Bewegungsimpuls oder eine Wellenlänge gibt. Dann wäre eine Amplitude da ohne Wellenlänge. Diese Amplitude wäre im Verhältnis zur Wellenlänge unendlich. Photonen haben keine Ruhemasse. Die Masse definiert sich nur durch die LG. Für mich ruft das den Schluss hervor, dass die Photonen im ein-Dimensionalen Raum einen ganz anderen Charakter haben, wie in unserer vier-dimensionalen Raum-Zeit, was für mich auch auf alles, was wir wahrnehmen, ebenso zutrifft. Die Fragen und Gedanken kamen mir erst, als ich Deine Antwort gelesen habe. Danke dafür, und Grüße an Trappist.

[Frank]

1. Ich bin davon ausgegangen, dass Photonen keine Masse haben.

Richtig

Das Photon ist ein Elementarteilchen mit der Masse m=0.iese Tatsache sehr gut belegen (s. u.), Neben experimentellen Messungen, die ist dies auch theoretisch gut begründet.

Aber

Ein ruhendes physikalisches System erfährt trotzdem wegen der Äquivalenz von Masse und Energie einen Massenzuwachs

https://de.wikipedia.org/wiki/Photon

[belgariath]

Hmm, ich dachte, da Photonen eine wohldefinierte Energie > 0 haben, haben sie auch eine Masse > 0, während nur ihre Ruhemasse 0 ist.

Die Anmerkung Nummer 1 in dem Wiki-Artikel ist mir neu. Mir leuchtet es im Moment nicht ein warum man nicht (mehr) zwischen Ruhemasse und (relativistischer) Masse unterscheiden sollte.

[...]
2. Dass die senkrechte Ausdehnung des Raumes bleibt, ist klar,. Da aber alle anderen Richtungen auf null verkürzt werden, was bedeutet dann ein quasi-2D-Raum, statt einem eindimensionalem]?
[...]

Der Raum in unserem Universum ist ja unendlich ausgedehnt. Wenn dieser unendlich ausgedehnte Raum unendlich kontrahiert wird, kollabiert er nicht unbedingt auf eine Ausdehnung = 0, würde ich sagen. Daher habe ich sicherheitshalber mal "quasi" geschrieben.

[...]
3. Wie kann ein Photon seine Geschwindigkeit messen, wenn die Strecke und die Zeit null ist. Dabei fallen mir auch die Fragen ein, ob es noch einen Bewegungsimpuls oder eine Wellenlänge gibt. Dann wäre eine Amplitude da ohne Wellenlänge. Diese Amplitude wäre im Verhältnis zur Wellenlänge unendlich. Photonen haben keine Ruhemasse. Die Masse definiert sich nur durch die LG. Für mich ruft das den Schluss hervor, dass die Photonen im ein-Dimensionalen Raum einen ganz anderen Charakter haben, wie in unserer vier-dimensionalen Raum-Zeit, was für mich auch auf alles, was wir wahrnehmen, ebenso zutrifft. Die Fragen und Gedanken kamen mir erst, als ich Deine Antwort gelesen habe. Danke dafür, und Grüße an Trappist.

Man müsste das mit der Differenzialrechnung behandeln. Dann sieht man dass etwas unendlich kleines (eben das infinitesimale Längenstück) geteilt durch etwas anderes unendlich kleines (das infinitesimale Zeitintervall) wieder einen endlichen Wert (die LG) ergeben kann.

Aber deine andere Folgerung leuchtet mir nicht ein im Moment: Warum sollte es keine Wellenlänge mehr geben oder keinen Impuls?

[ares]

Hallo belgariath
eine Welle(nlänge) braucht ja einen gewissen Raum, eben eine Länge, und der/die ist ja bei LG nicht mehr gegeben. Und ein Bewegungsimpuls zieht ja eine Bewegung nach sich, und wieder: ohne eine räumliche Ausdehnung ist dies wohl nicht möglich. Da wir in unserer Raum-Zeit diese Phänomene aber trotzdem wahrnehmen, ist der Schluss für mich, dass beides richtig ist, d.h. außerhalb unserer vier-dimensionalen Existenz erscheinen die Dinge dort ganz anders. Sie haben offensichtlich eine ganz andere Natur. Ähnliches wird ja auch über die Gravitation spekuliert.

[seeker]

Hi und willkommen!

Also... ich denke, wir sollten uns hier zuerst anschauen, ob die Fragen korrekt gestellt sind, um zu vemeiden, dass wir am Ende sozusagen "gegen Windmühlen kämpfen".

Schauen wir:

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass bei zunehmender Geschwindigkeit die Zeit verlangsamt und der Raum verkürzt werden.
Kann ich dann davon ausgehen, dass bei LG der Raum aus der Sicht dessen, der oder das sich mit LG bewegt, auf einen eindimensionalen Faden schrumpft und die Zeit, naja, stehengeblieben ist bzw. bei der Geschwindigkeit nicht mehr existiert?

Ich denke, das ist zu verkürzt gesagt. Das ist eben nicht der Kern der ART, sondern eine Ableitung daraus.
Und die Folge dieser Ungenauigkeit kann dann eben sein, dass wir auf Probleme stoßen, die es womöglich gar nicht gibt...

Gehen wir doch zum Kern:
Tatsächlich ist es doch so, dass es laut ART eine Raumzeit git, die aus 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension besteht. Nicht?
Und in/auf dieser RZ bewegen sich Photonen auf Geodäten, welche die kürzeste Verbindung zwischen zwei RZ-Punkten darstellen.

Allgemeiner gibt es bei Abständen zwischen zwei Ereignispunkten in der RZ drei Arten:

- lichtartig
- raumartig
- zeitartig

Wobei Kausalitätszusammenhänge immer entweder lichtartig oder zeitartig sind. Raumartig getrennte Ereignispunkte sind voneinander immer kausal getrennt

https://de.wikipedia.org/wiki/Kausalstruktur

Alles andere, was Photonen "sehen würden", usw. ist doch dagegen sekundär?
Allgemeiner: Alles, was irgendein Beobachter zu irgendeinem Zeitpunkt seiner Eigenzeit sieht, ist immer sozusagen ein 3D-Schnitt durch die 4D-Raumzeit.
Was ein Beobachter dabei sieht kann zwar interessant sein, tangiert aber nicht, was in der 4D-RZ wirklich Sache ist.

Anders gesagt:
Ich würde die ART so lesen, dass die Struktur der Raumzeit das ist, was wirklich IST und das was Objekte dann darin beobachten, das ist, was SCHEINT.

Wir müssen uns auf alle Fälle entscheiden, welche Betrachtungsweise wir wählen:
a) was sieht ein Beobachter unter welchen Umständen?
b) welche Struktur existiert dabei in der Raumzeit?

Wichtig: Wenn wir a) wählen, unterhalten wir uns darüber, was (dem Beobachter) scheint, nicht was wirklich Sache ist!

Beispiel:

Aber aus Sicht der Photonen scheint dann ja keine Eigen-Bewegung eines Photons stattzufinden

Das kann sein, dass ein Photon das so wahrnehmen würde*, aber die primäre Realität nach der ART ist nun einmal die 4D-RZ. Und innerhalb der gibt es sowieso gar keine Bewegung von Objekten (das einzige was sich dort noch bewegen kann, ist die RZ selber, z.B. durch Expansion)!
Es gibt dort aber Linien, durch die Objekte in Raum und Zeit definiert sind. Das gilt auch für Photonen.

(*:Was aber auch schon einen gedanklichen Widerspruch beinhaltet, denn wir wissen genau, dass Photonen eben nichts wahrnehmen - und in Null-Eigenzeit schon gar nicht.)

Wenn das so ist, habe ich leichte Schwierigkeiten, mir ein Photon in Bewegung und gleichzeitig in Ruhe vorzustellen (ohne in einem Paradox zu landen), da ja aus der Sicht eines Photons kein Raum da ist, in welchem sich ein einzelnes Photon oder ein Strahl bewegen soll, welches sich (wieder aus unserer Sicht) in eine Richtung bewegt .

Eben solche Sachen kann man auflösen, wenn man sich per Sichtweise b) statt auf den Schein auf das Sein fokussiert.
Dann löst sich m.E. so manches Problem in Luft auf:

Raumzeitlich gesehen existieren hier zwei RZ-Punkte mit Ereignissen:
1) an RZ-Punkt 1 wird ein Photon ausgesendet
2) an RZ-Punkt 2 wird eben dieses Photon absorbiert
3) Zwischen den beiden Punkten existiert eine kürzeste Verbindungs-Linie, die Geodäte, mithilfe derer man den Weg des Photons nachverfolgen kann.
Man wird dieses Photon zu irgendeinem gewählten Zeitpunkt auch immer auf der Line finden. Gewissermaßen IST das Photon diese Linie, die sich dann aber (durch irgendeinen gewählten Beobachtungs-Zeitpunkt, der immer einen Schnitt darstellt) immer als Punkt zeigt.

Hilft das ein wenig? Einwände?

[ares]

Hallo seeker,
Einwände hab ich so nicht. Und wie gesagt, von der Art Mathematik habe ich keine Ahnung.
Mir ist schon klar, dass wir uns entscheiden sollten, welche Betrachtungsebene wir wählen. Das ist mein Anliegen: Wie sieht die RZ hau Sicht von etwas, dass sich (aus unserer Sicht) mit LG bewegt. Und was könnte darunter/ dahinter liegen, oder anders ausgedrückt: wie stellt sich das dar, was wir im Moment als mehrdimensionale Welt sehen, in Form der Stringtheorie, Branen, Schleifenquantengravitation, wenn wir unsere 4D-RZ mal als 1D- oder 2D-RZ ansehen, nicht als Realität, sondern um möglicherweise einen Blick "dahinter" zu erhaschen. Und: kann es dann noch andere, mehrdimensionale Kausal-Strukturen geben?

[seeker]

Ich habe mich mit solchen Themen schon viel beschäftigt, wobei ich mich mit der Mathematik hinter all dem leider auch nur weniger als rudimentär bis gar nicht auskenne. Dazu kann ich daher leider auch nur wenig profund sagen.
Ich versuche dennoch Antworten zu geben, besonders zur Einordnung, das kann ich glaube ich schon etwas profunder:

Wie sieht die RZ hau Sicht von etwas, dass sich (aus unserer Sicht) mit LG bewegt.

Aus Sicht eines Beobachter, der sich mit exakt c bewegt, folgt aus der RT, dass bei dieser Bewegung keine Eigenzeit vergeht, völlig egal, wie weit die Reise ist.
Die Konsequenz ist: Aus der Sicht eines solchen Beobachters bewegt er sich selber überhaupt nicht, es findet schlicht keine beobachtbare Bewegung bzw. Reise statt. Er ruht bzw. ist schon am Ziel. Damit kann er auch nichts darüber sagen oder beobachten, wie das Universum während seiner Reise nach vorne, hinten oder zur Seite ausschauen würde, weil es ein "während" für ihn schlicht und einfach gar nicht gibt. Beobachtungen erfordern Zeit, diese ist für den Beobachter hier nicht vorhanden.

Und was könnte darunter/ dahinter liegen, oder anders ausgedrückt: wie stellt sich das dar, was wir im Moment als mehrdimensionale Welt sehen, in Form der Stringtheorie, Branen, Schleifenquantengravitation, wenn wir unsere 4D-RZ mal als 1D- oder 2D-RZ ansehen, nicht als Realität, sondern um möglicherweise einen Blick "dahinter" zu erhaschen. Und: kann es dann noch andere, mehrdimensionale Kausal-Strukturen geben?

Tja... da ist viel möglich... also ja, kann es!

Hintergrund:
All die genannten Theorien und Vorschläge sind heute noch Spekulationen, für die es aktuell zwar teilweise mathematische Ausarbeitungen, aber noch keine empirischen Belege gibt.
Es dreht sich dabei aber immer darum, dass es für die Vereinigung der Gravitation mit den anderen Grundkräften, sowie für bessere kosmologische Modelle scheints irgendeine solche Theorie braucht, die darauf beruht, dass es irgendeine Hintergrundstruktur geben muss, aus der unsere vertraute Realität mit dem beobachtbaren Universum und den vier Grundkräften dann irgendwie emergiert, im Sinne von: "Sie ergibt sich daraus im Grenzfall."

Wichtig ist auch:
Mathematische Modelle sind Modelle! D.h.: Das sind Beschreibungen DER Natur, nicht notwendigerweise DIE Natur selber!
(So wie z.B. ein gemalter Baum kein wirklicher Baum ist und ein berechneter fallender Stein kein echter fallender Stein.)
Das sind abstrakte mathematische Strukturen, die sich in diesem Bereich nur sehr unvollkommen bis überhaupt nicht mehr in unseren normalen menschlichen Denk-, Sprach- und Erfahrungsrahmen übertragen lassen.

Beispiel:
Angenommen eine Variante der Stringtheorien wäre "wahr". Dann hieße das nur, dass sich die Realität damit super gut beschreiben ließe. Es hieße aber nicht automatisch*, dass alles wirklich aus kleinen dünnen Fäden besteht, so wie ein Bindfaden. Es hieße auch nicht zwingend, dass es wirklich x Dimensionen gibt, sondern nur, dass man mithilfe einer solchen abstrakten mathematischen Konstruktion sehr gute Beschreibungsergebnisse der Natur erzielt.

*: Über dieses "automatisch" kann man dann streiten. Man kann z.B. auch der Meinung sein, dass gilt: "perfekte Beschreibung der Natur = die Natur!"
Nur wird sich so etwas nie endgültig naturwiss. beweisen oder widerlegen lassen, womit wir dann im Reich der Philosophie bzw. Weltsicht landen.

Aus meiner Sicht dabei beachtenswert: Unser Interesse für solche Sachen beruht oft zu einem guten Teil darin, das wir das oben Gesagte zu einem guten Teil dann doch ignorieren oder uns philosophisch-weltanschaulich schon sehr festgelegt haben, was dann wohl zuerst hinterfragt werden sollte, wenn man weiterkommen möchte.

Noch eine kurze Anmerkung zu den Photonen, weil das glaube ich oben kurz angesprochen wurde:
Photonen haben keine Ruhemasse, aber eine bewegte Masse.
Die Teilchen-Ruhemasse resultiert nach aktueller Folklore aus der Kopplung mit dem Higgsfeld. Diese Kopplung gibt es nach dem Standardmodell bei Fermionen (z.B. Quarks, Elektronen), aber nicht bei allen Bosonen: nicht bei Photonen und Gluonen. Daher haben diese Ruhemasse Null.
Die bewegte Masse resultiert davon unabhängig über E = mc² aus der Energie, die ein Photon trägt. Also hat das Photon schon doch eine Masse, nur keine durch den Higgs-Mechanismus.

[belgariath]

@ Ruhemasse / Masse von Photonen: So würde ich das auch unterschreiben.

[seeker]

Ich konnte hoffentlich auch zeigen, warum und dass die Frage: "Wie würde laut RT ein mit c reisender Beobachter das Universum sehen?" unsinig ist, da sie widersprüchliche Annahmen enthält, nämlich dass für den Beobachter dabei a) Eigenzeit vergeht (das ist notwendig für eine Beobachtung) und zugleich b) keine Eigenzeit vergeht (das ergibt sich notwendig aus der Annahme der Gültigkeit der RT).